石墨烯超导量子干涉器件的显微照片。图片来源：Messelot 等人（PRL，2024 年）。

近年来，量子物理学家和工程师在开发高性能量子计算系统方面取得了重大进展。然而，要实现相对于经典计算系统的量子优势并实现量子设备的稳定运行，需要为这些设备开发新的构建块以及为其正确运行提供基础的其他方面。

格勒诺布尔阿尔卑斯大学的研究人员最近展示了在基于栅极可调谐石墨烯约瑟夫森结的基于石墨烯的超导量子干涉器件中直接测量微妙效应，即正弦 （2φ） 电流相位关系。他们收集此测量值的方法在发表在 Physical Review Letters 上的一篇论文中进行了概述，可能有助于开发更稳定的超导量子比特，这些量子比特不易出现退相干。

该团队的装置所基于的部件约瑟夫森结通过一个薄弱的环节将两种超导材料连接在一起。在量子技术中，这些结允许电流无电阻流过设备，从而能够以最小的损耗存储和处理量子信息，这是超导体低于其转变温度的特定特性。

作为他们最近研究的一部分，格勒诺布尔阿尔卑斯大学的研究人员着手直接测量这种电流如何取决于他们设备中基于栅极可调谐石墨烯的约瑟夫森结两侧之间的超导相位差异。这种测量至关重要，因为它可以用于开发具有精心定制特性的超导量子电路。

“查看现有文献，我们意识到，虽然近年来社区对超导电路中的 sin（2φ） 电流相位关系越来越感兴趣，但在目前使用的器件中没有直接测量这种关系，”该论文的资深作者 Julien Renard 告诉 Phys.org。“我们决定设计一个实验来支持这种测量，从而直接可视化这种电流相位关系。”

上图：石墨烯超导量子干涉器件中 Cooper 对的干涉。下图：在设备中，由于成对的 Cooper 对而发生电传输。图片来源：Messelot 等人。

在他们的实验中，Renard 和他的同事测量了他们开发的石墨烯超导量子干涉器件中的电压，这些电压是外部控制参数（如磁场）的函数。他们的设置依赖于一种先进的方法，可以同时控制和读取器件中一对 Josephson 结的电流相位关系。

“磁场允许 [我们] 改变超导干涉器件中的相位，”Renard 解释说。“另一方面，测得的信号可以提取电流。这就是我们直接测量器件电流相位关系的方法。

该研究小组收集的直接测量表明，他们的设备可以表现为 sin（2φ） 元素。这实质上意味着流经其器件的电流遵循一个独特的模式，以 sin（2φ） 表示，它不受更简单的 sin（φ） 模式的影响，该模式表征了电流流经更传统的约瑟夫森结。

Renard 和他的同事采用的实验方法以及他们在设备中观察到的独特电流相位关系可能很快就会为量子计算技术的进步做出贡献。在他们的下一步研究中，研究人员计划以他们最近的论文为基础，旨在开发防止退相干的新型量子比特。

Renard 说：“我们表明，将两个石墨烯约瑟夫森结结合在超导量子干涉器件中，由于控制了磁场中库珀对之间的干涉效应，我们可以获得 sin（2φ） 电流相位关系。“这种石墨烯超导量子干涉器件可以成为未来一代量子比特的构建块，防止退相干。我们现在将努力寻找合适的电路几何形状来构建这样的量子比特。

更多信息：直接测量石墨烯超导量子干涉器件中的 sin（2φ） 电流相位关系。物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.106001。在 arXiv 上： DOI： 10.48550/arxiv.2405.13642

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv